《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Cortex-M3內(nèi)核芯片LM3S2965的CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計
郭振華 上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司
摘要: 根據(jù)CAN總線的特性,給出了基于Cortex-M3內(nèi)核的LM3S2965芯片中CAN總線節(jié)點(diǎn)的硬件電路、軟件實現(xiàn)框架及部分代碼。初始化代碼部分可以直接應(yīng)用在其他CAN總線的接口設(shè)計中。
關(guān)鍵詞: 接口IC LED ARM Cortex-M3 控制器 通信
Abstract:
Key words :

引言

    CAN總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價格比高等諸多特點(diǎn)。CAN(Controller Area Network,控制器局域網(wǎng))屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò),它是一種專門用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò),不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡(luò),其物理特性及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強(qiáng)調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計,可靠性和性能超過了已陳舊的現(xiàn)場通信技術(shù),如RS485、BITBUS等。
    多數(shù)采用微處理器結(jié)合CAN控制器芯片的硬件方案,軟件實現(xiàn)上是對CAN控制器芯片的寄存器編程,比較繁瑣。Luminary Micro公司(現(xiàn)已被TI公司收購)所提供的Stellaris系列是基于ARM Cortex-M3的控制器,它們?yōu)閷Τ杀居绕涿舾械那度胧轿⒖刂破鲬?yīng)用方案帶來了高性能的32位運(yùn)算能力。其中,LM3S2000系列是針對控制器局域網(wǎng)(CAN)應(yīng)用方案而設(shè)計的一組芯片,它在Stellaris系列芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了Bosch CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——短距離工業(yè)網(wǎng)絡(luò)里的黃金標(biāo)準(zhǔn)。
    目前,很多系統(tǒng)需要稱重數(shù)據(jù)。本文介紹一種利用LM3S2965芯片設(shè)計的CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟硬件方案,可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接人現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡(luò)中。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    基于CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。采用現(xiàn)場總線式集散控制系統(tǒng)(Field Distributed Control Svstem,F(xiàn)DCS)結(jié)構(gòu),由CAN總控中心、控制節(jié)點(diǎn)以及CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)組成。CAN總控中心主要完成在線系統(tǒng)監(jiān)控,多個智能節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)定、運(yùn)行顯示控制等,通過CAN現(xiàn)場總線,在操作站和智能節(jié)點(diǎn)之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。圖中的任何一個控制節(jié)點(diǎn)都可能是稱重系統(tǒng),由稱重傳感器和稱重儀表組成。通過這個控制網(wǎng)絡(luò),總控中心就可以監(jiān)控、操作各個稱重單元的工作狀態(tài)。

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    本文利用TI公司生產(chǎn)的LM3S2965設(shè)計了一種CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)包括A/D轉(zhuǎn)換、顯示、按鍵輸入、CAN接口等多個部分,根據(jù)系統(tǒng)的要求還可以增加更多的模塊。本文僅介紹CAN接口部分,其硬件電路如圖2所示。該電路主要包括CAN總線收發(fā)器SN65HVD1050D、高速光電耦合器6N137以及與微控制器LM3S2965的接口部分。LM3S2965通過內(nèi)置CAN控制器極大地簡化了硬件設(shè)計和軟件編程,加速了實現(xiàn)方案的設(shè)計,且穩(wěn)定可靠性得到保證。

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    為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,LM3S2965的TXO和RXO通過高速光耦6N137與CAN收發(fā)器SN65HVD1050D相連,很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5 V隔離輸出的開關(guān)電源模塊實現(xiàn),這些部分雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度,但卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。6N137光耦合器的使用需要注意兩點(diǎn):第一,6N137的第6腳輸出電路屬于集電極開路電路,必須接一個上拉電阻;第二,6N137內(nèi)部的第2腳和第3腳之間是一個LED,必須串接一個限流電阻。

 

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要包括3部分:CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報文發(fā)送和報文接收。初始化程序設(shè)計對于CAN總線節(jié)點(diǎn)的正常工作相當(dāng)重要。它主要包括工作方式、時鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線定時器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設(shè)置。
    LM3S2965及其系列芯片由廠家提供了底層的API,用于訪問Stellaris CAN模塊的函數(shù)集。這些函數(shù)用于對CAN控制器、報文對象進(jìn)行配置,對CAN中斷進(jìn)行管理,大大簡化了編程的復(fù)雜性,也增強(qiáng)了軟件的移植性。
    Stellaris CAN模塊提供了CAN數(shù)據(jù)鏈接層的硬件處理。因為可以被配置成具有報文過濾器并能預(yù)載報文數(shù)據(jù),所以它能在總線上自動發(fā)送和接收報文,并相應(yīng)地通知應(yīng)用。它能自動地處理CRC的產(chǎn)生和檢查、錯誤處理以及CAN報文的重發(fā)。
    報文對象存放在CAN控制器中,并且它能提供CAN總線上的CAN模塊的主接口。這32個報文對象中的每一個都能被編程成可以處理一個獨(dú)立的報文ID,或能在同一個ID上被一起鏈接成一個幀序列。報文標(biāo)識符過濾器提供了能被編程為與任何或全部報文ID位相匹配的屏蔽和幀類型。CAN API提供了應(yīng)用所需要用來實施一個中斷驅(qū)動CAN堆棧的全部函數(shù)??墒褂眠@些函數(shù)控制Stellaris微控制器的任何一個可用的CAN端口,并且函數(shù)能與一個端口使用而不會與其他端口造成沖突。
    默認(rèn)時CAN模塊被禁止,因此在調(diào)用任何其他的CAN函數(shù)前,必須要先調(diào)用CANInit()函數(shù)。這樣就能在使能CAN總線上的控制器前把報文對象初始化到一個安全的狀態(tài)。同樣,在使能CAN控制器前,必須對位時序值進(jìn)行編程。在位時序值被編程為一個適當(dāng)?shù)闹禃r,應(yīng)該要調(diào)用CAN總線的CANSetBitTiming()函數(shù)。一旦調(diào)用完這兩個函數(shù),就可使用CANEnable()將CAN控制器使能,如有需要,稍后可使用CANDisable()將其關(guān)閉。調(diào)用CANDisable()并不會重新初始化一個CAN控制器,因此可以使用它來暫時把CAN控制器從總線上移除。
    CAN控制器具有很高的可配置性并且包含32個報文對象,在某些條件下這些報文對象能被編程為自動發(fā)送和接收CAN報文。報文對象允許應(yīng)用程序自動執(zhí)行一些操作而無需與微控制器進(jìn)行交互。
    以下是這些操作的一些范例:
    ①立即發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀;
    ②當(dāng)在CAN總線上發(fā)現(xiàn)一個正在匹配的遠(yuǎn)程幀時,發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀;
    ③接收一個特定的數(shù)據(jù)幀;
    ④接收與某個標(biāo)識符樣式匹配的數(shù)據(jù)幀。
    為了把報文對象配置成可以執(zhí)行這些操作中的任何一個操作,應(yīng)用程序必須首先要使用CANMessageSet()來設(shè)置32個報文對象中的其中一個。這個函數(shù)能把一個報文對象配置成可以發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。每一個報文對象可以被配置成在發(fā)送或接收CAN報文時產(chǎn)生中斷。
    當(dāng)從CAN總線接收到數(shù)據(jù)時,應(yīng)用程序可以使用CANMessageGet()函數(shù)讀取到所接收到的報文。同樣,該函數(shù)也能讀取這樣一個報文:在改變報文對象的配置前,報文已被配置以便定位一個報文結(jié)構(gòu)。使用這個函數(shù)讀取報文對象,將會清除任何報文對象中正在掛起的中斷。
    一旦已使用CANMessageSet()來完成對一個報文對象的配置,那么此函數(shù)分配報文對象并繼續(xù)執(zhí)行其編程功能,除非通過調(diào)用ANMessage-Clear()將其釋放。在對報文對象進(jìn)行新配置前,無需請求應(yīng)用程序清除報文對象,因此每次調(diào)用CANMessageSet()時,它將會覆蓋任何之前被編程的配置。
    32個報文對象是相同的,優(yōu)先級除外。最小編號的報文對象具有最高的優(yōu)先級。優(yōu)先級以兩種方式影響操作:第一種,如果在同一時間準(zhǔn)備好多個操作,那么具有最高優(yōu)先級的報文對象將會首先發(fā)生;第二種,多個報文對象正在掛起中斷時,如果讀取中斷狀態(tài),則具有最高優(yōu)先級的報文對象首先出現(xiàn)。由應(yīng)用負(fù)責(zé)把32個報文對象作為一個源來管理,并確定分配和釋放它們的最佳途徑。
    CAN控制器在下列條件下能夠產(chǎn)生中斷:
    ①當(dāng)任何一個報文對象發(fā)送一個報文時;
    ②當(dāng)任何一個報文對象接收一個報文時;
    ③滿足警告條件,如一個錯誤計數(shù)器達(dá)到了限值,或出現(xiàn)多個總線錯誤時;
     ④滿足控制器錯誤條件,如進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)時。
    圖3是CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件流程。其中的對象就是一組數(shù)據(jù)的信息,包括下面結(jié)構(gòu)體的信息:
   

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    其中,ulMsglD用作11或29位標(biāo)識符的CAN報文標(biāo)識符;ulMsgIDMask為在使能標(biāo)識符過濾器時所使用的報文標(biāo)識符屏蔽;ulFlags保存多個狀態(tài)標(biāo)志和tCANObjFlags所指定的設(shè)置;ulMsgLen是報文對象中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù);pucMsgData是指向報文對象的數(shù)據(jù)的指針。
    此結(jié)構(gòu)是對與CAN控制器中一個CAN報文對象相關(guān)的項目進(jìn)行的壓縮??梢灾苯訉⑦@個對象的信息填充,即進(jìn)行對象的賦值工作。下面的代碼是程序中CAN接口部分的初始化部分:
    d.JPG
    
    上面的這些函數(shù)都已經(jīng)通過提供的API函數(shù)完成工作,CANConfigureNetwork函數(shù)要自己編寫,代碼如下:

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     這里僅僅是對前文介紹的對象進(jìn)行賦值,是將系統(tǒng)中真正用到的對象配置成我們需要的對象(包括是發(fā)送還是接收)。此處鑒于篇幅只給出了兩個對象,一個用于發(fā)送數(shù)據(jù),一個用于接收數(shù)據(jù)。上面的函數(shù)設(shè)置好后就可以通過CAN中斷控制器來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。上述程序代碼在Keil C3.78版本上調(diào)試編譯通過,并且已經(jīng)成功用于產(chǎn)品中。

結(jié)語
    本文介紹的CAN總線接口節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案實現(xiàn)非常方便,硬件電路簡單,軟件設(shè)計模塊化,可以應(yīng)用此方案設(shè)計實用的系統(tǒng)。本文的接口就是稱重儀表的一部分,可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接入現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡(luò)中。
 

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